Inngangur

Ljós gegnir lykilhlutverki í vaxtarferli plantna. Það er besti áburðurinn til að stuðla að frásogi blaðgrænu plantna og frásogi ýmissa vaxtareiginleika plantna eins og karótíns. Hins vegar er afgerandi þáttur sem ræður vexti plantna alhliða þáttur, ekki aðeins tengdur ljósi, heldur einnig óaðskiljanlegur frá uppsetningu vatns, jarðvegs og áburðar, vaxtarumhverfisskilyrðum og alhliða tæknilegri stjórnun.

Undanfarin tvö eða þrjú ár hafa verið óteljandi skýrslur um notkun hálfleiðaralýsingartækni í þrívíddarverksmiðjum eða plöntuvexti. En eftir að hafa lesið þær vandlega fylgir alltaf einhver óþægindi. Almennt séð er engin raunveruleg skilningur á því hvaða hlutverki ljós ætti að gegna í plöntuvexti.

Fyrst skulum við skilja litróf sólarinnar, eins og sýnt er á mynd 1. Þar má sjá að sólarlitrófið er samfellt litróf, þar sem bláa og græna litrófið eru sterkara en rauða litrófið, og sýnilegt ljós litróf er á bilinu 380 til 780 nm. Vöxtur lífvera í náttúrunni er tengdur styrk litrófsins. Til dæmis vaxa flestar plöntur á svæðinu nálægt miðbaug mjög hratt, og á sama tíma er stærð vaxtar þeirra tiltölulega mikil. En mikill styrkur geislunar sólarinnar er ekki alltaf betri, og það er ákveðin sértækni fyrir vöxt dýra og plantna.

Mynd 1, Einkenni sólarrófsins og sýnilegs ljósrófs þess

Í öðru lagi er annað litrófsrit af nokkrum lykilþáttum gleypni plantna sýnt á mynd 2.

Mynd 2, Frásogsróf nokkurra auxína í plöntuvexti

Á mynd 2 má sjá að ljósgleypniróf nokkurra lykil-auxína sem hafa áhrif á vöxt plantna eru verulega mismunandi. Þess vegna er notkun LED-vaxtarljósa fyrir plöntur ekki einfalt mál, heldur mjög markviss. Hér er nauðsynlegt að kynna hugtökin tvö mikilvægustu ljóstillífandi vaxtarþætti plantna.

• Klórófyll

Klórófyll er eitt mikilvægasta litarefnið sem tengist ljóstillífun. Það er til staðar í öllum lífverum sem geta framkvæmt ljóstillífun, þar á meðal grænum plöntum, dreifkjörnungum blágrænþörungum (blágrænum bakteríum) og heilkjörnungum. Klórófyll gleypir orku úr ljósi sem er síðan notuð til að umbreyta koltvísýringi í kolvetni.

Klórófyll a gleypir aðallega rautt ljós og blaðrófyll b gleypir aðallega bláfjólublátt ljós, aðallega til að greina á milli skuggaplantna og sólplantna. Hlutfall blaðrófylls b og blaðrófylls a í skuggaplöntum er lítið, þannig að skuggaplöntur geta nýtt blátt ljós sterkt og aðlagað sig að vexti í skugga. Klórófyll a er blágrænt og blaðrófyll b er gult grænt. Það eru tvær sterkar frásogsleiðir af blaðrófylli a og blaðrófylli b, önnur á rauða svæðinu með bylgjulengd 630-680 nm og hin á bláfjólubláa svæðinu með bylgjulengd 400-460 nm.

• Karótenóíð

Karótínóíð eru almennt hugtak yfir flokk mikilvægra náttúrulegra litarefna sem finnast almennt í gulum, appelsínugulum eða rauðum litarefnum í dýrum, háplöntum, sveppum og þörungum. Hingað til hafa meira en 600 náttúruleg karótínóíð fundist.

Ljósupptaka karótínóíða nær yfir sviðið OD303~505 nm, sem gefur matnum lit og hefur áhrif á fæðuinntöku líkamans. Í þörungum, plöntum og örverum er liturinn þakinn blaðgrænu og getur ekki komið fram. Í plöntufrumum taka karótínóíðin ekki aðeins upp og flytja orku til að hjálpa ljóstillífun, heldur hafa þau einnig það hlutverk að vernda frumur gegn eyðileggingu af örvuðum súrefnissameindum með einni rafeindatengi.

Nokkur huglæg misskilningur

Óháð orkusparandi áhrifum, sértækni ljóss og samhæfingu ljóss hefur hálfleiðaralýsing sýnt mikla kosti. Hins vegar, frá hraðri þróun síðustu tveggja ára, höfum við einnig séð mikinn misskilning í hönnun og notkun ljóss, sem endurspeglast aðallega í eftirfarandi þáttum.

①Svo lengi sem rauðu og bláu flísarnar af ákveðinni bylgjulengd eru sameinaðar í ákveðnu hlutfalli er hægt að nota þær í ræktun plantna, til dæmis er hlutfallið rauðs og blás 4:1, 6:1, 9:1 og svo framvegis.

②Svo lengi sem það er hvítt ljós getur það komið í stað sólarljóss, eins og þriggja aðal hvítu ljósrörin sem eru mikið notuð í Japan, o.s.frv. Notkun þessara litrófa hefur ákveðin áhrif á vöxt plantna, en áhrifin eru ekki eins góð og ljósgjafinn sem framleiddur er með LED.

③Svo lengi sem PPFD (ljóskvantuflæðisþéttleiki), mikilvægur lýsingarbreyta, nær ákveðinni vísitölu, til dæmis ef PPFD er meira en 200 μmol·m-2·s-1. Hins vegar, þegar þessi vísir er notaður, verður að gæta að því hvort um er að ræða skuggaplöntu eða sólplöntu. Þú þarft að kanna eða finna ljósjöfnunarmettunarpunkt þessara plantna, sem einnig er kallaður ljósjöfnunarpunktur. Í raunverulegum notkun brenna plöntur oft eða visna. Þess vegna verður að hanna þessa breytu í samræmi við plöntutegundina, vaxtarumhverfið og aðstæður.

Varðandi fyrsta atriðið, eins og það var kynnt í inngangi, ætti litrófið sem þarf fyrir vöxt plantna að vera samfellt litróf með ákveðinni dreifingarbreidd. Það er augljóslega óviðeigandi að nota ljósgjafa sem er gerður úr tveimur ákveðnum bylgjulengdarflögum af rauðum og bláum með mjög þröngu litrófi (eins og sýnt er á mynd 3(a)). Í tilraunum kom í ljós að plöntur hafa tilhneigingu til að vera gulleitar, blaðstilkarnir eru mjög ljósir og blaðstilkarnir eru mjög þunnir.

Fyrir flúrljós með þremur aðallitum sem almennt voru notaðir á fyrri árum, þótt hvítt sé myndað, eru rauðu, grænu og bláu litrófin aðskilin (eins og sýnt er á mynd 3(b)) og breidd litrófsins er mjög þröng. Litrófsstyrkur samfellda hlutans sem fylgir er tiltölulega veikur og aflið er enn tiltölulega mikið samanborið við LED ljós, 1,5 til 3 sinnum orkunotkun. Þess vegna eru notkunaráhrifin ekki eins góð og LED ljós.

Mynd 3, Rauð og blá LED-flísar fyrir plöntur og þriggja aðallita flúrljósróf

PPFD er ljóskvantumflæðisþéttleiki, sem vísar til virkrar geislunarljósflæðisþéttleika ljóss í ljóstillífun, sem táknar heildarfjölda ljóskvanta sem falla á blaðstöngla plantna á bylgjulengdarbilinu 400 til 700 nm á tímaeiningu og flatarmálseiningu. Eining þess er μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Ljóstillífandi virk geislun (PAR) vísar til heildar sólargeislunar með bylgjulengd á bilinu 400 til 700 nm. Hana er hægt að tákna annað hvort með ljóskvantum eða geislunarorku.

Áður fyrr var ljósstyrkurinn sem ljósmælirinn endurspeglaði birtustig, en litróf vaxtar plantna breytist vegna hæðar ljósgjafans frá plöntunni, ljósþekjunnar og hvort ljósið kemst í gegnum laufin. Þess vegna er ekki nákvæmt að nota par sem vísbendingu um ljósstyrk í rannsóknum á ljóstillífun.

Almennt getur ljóstillífun hafist þegar PPFD sólelskandi plöntu er meiri en 50 μmol·m-2·s-1, en PPFD skuggaplantna þarf aðeins 20 μmol·m-2·s-1. Þess vegna, þegar þú kaupir LED ræktunarljós, geturðu valið fjölda LED ræktunarljósa út frá þessu viðmiðunargildi og tegund plantna sem þú gróðursetur. Til dæmis, ef PPFD staks LED ljóss er 20 μmol·m-2·s-1, þarf meira en 3 LED plöntuperur til að rækta sólelskandi plöntur.

Nokkrar hönnunarlausnir fyrir hálfleiðaralýsingu

Hálfleiðaralýsing er notuð til vaxtar eða gróðursetningar plantna og það eru tvær grunnviðmiðunaraðferðir.

• Eins og er er líkanið fyrir innanhússplöntur mjög vinsælt í Kína. Þetta líkan hefur nokkra eiginleika:

①Hlutverk LED-ljósa er að veita allt litróf lýsingar fyrir plöntur og lýsingarkerfið þarf að veita alla lýsingarorkuna og framleiðslukostnaðurinn er tiltölulega hár;
②Hönnun LED vaxtarljósa þarf að taka tillit til samfellu og heilleika litrófsins;
③Nauðsynlegt er að stjórna lýsingartíma og lýsingarstyrk á áhrifaríkan hátt, svo sem að láta plönturnar hvíla í nokkrar klukkustundir, hvort geislunarstyrkurinn sé ekki nægur eða of sterkur o.s.frv.;
④Allt ferlið þarf að líkja eftir aðstæðum sem raunverulegt kjörvaxtarumhverfi plantna utandyra krefst, svo sem rakastigi, hitastigi og CO2 styrk.

• Útigróðurstilling með góðum grunni fyrir gróðursetningu í gróðurhúsum utandyra. Einkenni þessarar gerðar eru:

①Hlutverk LED ljósa er að bæta við ljósi. Annars vegar að auka ljósstyrk á bláum og rauðum svæðum undir sólarljósi á daginn til að stuðla að ljóstillífun plantna, hins vegar að bæta upp fyrir sólarleysi á nóttunni til að stuðla að vexti plantna.
② Viðbótarljósið þarf að taka mið af því á hvaða vaxtarstigi plantan er, svo sem fræplöntutímabili eða blómgunar- og ávaxtaskeiði.

Þess vegna ætti hönnun LED vaxtarljósa fyrir plöntur fyrst að hafa tvær grunnhönnunarstillingar, þ.e. 24 tíma lýsingu (innandyra) og viðbótarlýsingu fyrir plöntuvöxt (utandyra). Fyrir ræktun plantna innandyra þarf hönnun LED vaxtarljósa að taka tillit til þriggja þátta, eins og sýnt er á mynd 4. Það er ekki hægt að pakka flísunum með þremur aðallitum í ákveðnu hlutfalli.

Mynd 4, Hönnunarhugmynd að því að nota LED-ljós fyrir plöntur innandyra fyrir 24 tíma lýsingu

Til dæmis, fyrir litróf á gróðrarstigi, þar sem það þarf að styrkja vöxt róta og stilka, styrkja greinar laufa og ljósgjafinn er notaður innandyra, er hægt að hanna litrófið eins og sýnt er á mynd 5.

Mynd 5, litrófsbyggingar sem henta fyrir LED innanhúss leikskólatímabil

Við hönnun á annarri gerð LED-vaxtarljósa er aðallega miðað að því að bæta við ljósi til að stuðla að gróðursetningu í botni útigróðurhúsa. Hönnunarhugmyndin er sýnd á mynd 6.

Mynd 6, Hönnunarhugmyndir fyrir ræktunarljós fyrir úti 

Höfundurinn leggur til að fleiri gróðursetningarfyrirtæki taki upp seinni kostinn og nota LED ljós til að örva vöxt plantna.

Í fyrsta lagi hefur Kína áratuga reynslu af útiræktun í gróðurhúsum, bæði í suðri og norðri. Landið býr yfir góðum grunni í gróðurhúsaræktunartækni og býður upp á mikið úrval af ferskum ávöxtum og grænmeti á markað fyrir nærliggjandi borgir. Sérstaklega á sviði jarðvegs-, vatns- og áburðarræktunar hafa rannsóknarniðurstöður náðst.

Í öðru lagi getur þessi tegund af viðbótarljóslausn dregið verulega úr óþarfa orkunotkun og um leið aukið uppskeru ávaxta og grænmetis á áhrifaríkan hátt. Þar að auki er víðfeðmt landfræðilegt svæði Kína mjög þægilegt fyrir kynningu.

Sem vísindaleg rannsókn á LED-plöntulýsingu veitir hún einnig víðtækari tilraunagrunn fyrir hana. Mynd 7 sýnir tegund af LED-vaxtarljósi sem þetta rannsóknarteymi þróaði, sem hentar til ræktunar í gróðurhúsum, og litróf þess er sýnt á mynd 8.

Mynd 7, Tegund af LED ræktunarljósi

Mynd 8, litróf af tegund LED vaxtarljóss

Samkvæmt ofangreindum hönnunarhugmyndum framkvæmdi rannsóknarteymið röð tilrauna og niðurstöðurnar eru mjög marktækar. Til dæmis, fyrir ræktunarljós í ræktunarferlinu, var upprunalega lampinn sem notaður var flúrpera með afli upp á 32 W og ræktunarferli upp á 40 daga. Við bjóðum upp á 12 W LED ljós, sem styttir plöntuferlið í 30 daga, dregur á áhrifaríkan hátt úr áhrifum hitastigs lampanna í plönturæktunarverkstæðinu og sparar orkunotkun loftkælingarinnar. Þykkt, lengd og litur plöntunnar eru betri en upprunalega lausnin fyrir ræktun plöntu. Fyrir plöntur af algengum grænmetisplöntum hafa einnig verið fengnar góðar sannprófanir, sem eru teknar saman í eftirfarandi töflu.

Meðal þeirra er PPFD viðbótarljóshópurinn: 70-80 μmol·m-2·s-1, og hlutfall rauðs og blás: 0,6-0,7. Dreifing PPFD á daginn í náttúrulega ljóshópnum var 40~800 μmol·m-2·s-1, og hlutfall rauðs og blás var 0,6~1,2. Það má sjá að ofangreindar vísbendingar eru betri en hjá náttúrulega ræktuðum plöntum.

Niðurstaða

Þessi grein kynnir nýjustu þróun í notkun LED vaxtarljósa í ræktun plantna og bendir á misskilning varðandi notkun LED vaxtarljósa í ræktun plantna. Að lokum eru kynntar tæknilegar hugmyndir og áætlanir um þróun LED vaxtarljósa sem notuð eru í ræktun plantna. Það skal tekið fram að það eru einnig nokkrir þættir sem þarf að hafa í huga við uppsetningu og notkun ljóssins, svo sem fjarlægðina milli ljóssins og plöntunnar, geislunarsvið lampans og hvernig á að bera ljósið á með venjulegu vatni, áburði og jarðvegi.

Höfundur: Yi Wang o.fl. Heimild: CNKI